952 resultados para CHARGE-TRANSFER PROCESSES
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Power-conversion efficiencies of organic heterojunction solar cells can be increased by using semiconducting donor-acceptor materials with complementary absorption spectra extending to the near-infrared region. Here, we used continuous wave fluorescence and absorption, as well as nanosecond transient absorption spectroscopy to study the initial charge transfer step for blends of a donor poly(p-phenylenevinylene) derivative and low-band gap cyanine dyes serving as electron acceptors. Electron transfer is the dominant relaxation process after photoexcitation of the donor. Hole transfer after cyanine photoexcitation occurs with an efficiency close to unity up to dye concentrations of similar to 30 wt%. Cyanines present an efficient self-quenching mechanism of their fluorescence, and for higher dye loadings in the blend, or pure cyanine films, this process effectively reduces the hole transfer. Comparison between dye emission in an inert polystyrene matrix and the donor matrix allowed us to separate the influence of self-quenching and charge transfer mechanisms. Favorable photovoltaic bilayer performance, including high open-circuit voltages of similar to 1 V confirmed the results from optical experiments. The characteristics of solar cells using different dyes also highlighted the need for balanced adjustment of the energy levels and their offsets at the heterojunction when using low-bandgap materials, and accentuated important effects of interface interactions and solid-state packing on charge generation and transport.
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Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
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We report the energy-transfer mechanisms and emission quantum yield measurements of sol-gel-derived Eu3+-based nanohybrids. The matrix of these materials, classified as diureasils and termed U(2000) and U(600), includes urea cross-links between a siliceous backbone and polyether-based segments of two molecular weights, 2000 and 600, respectively. These materials are full-color emitters in which the Eu3+ (5)Do --> F-7(0-4) lines merge with the broad green-blue emission of the nanoscopic matrix's backbone. The excitation spectra show the presence of a large broad band (similar to 27000-29000 cm(-1)) undoubtedly assigned to a ligand-to-metal charge-transfer state. Emission quantum yields range from 2% to 13.0% depending on the polymer molecular weight and Eu3+ concentration. Energy transfer between the hybrid hosts and the cations arises from two different and independent processes: the charge-transfer band and energy transfer from the hybrid's emitting centers. The activation of the latter mechanisms induces a decrease in the emission quantum yields (relative to undoped nanohybrids) and permits a fine-tuning of the emission chromaticity across the Comission Internacionalle d'Eclairage diagram, e.g., (x, y) color coordinates from (0.21, 0.24) to (0.39, 0.36). Moreover, that activation depends noticeably on the ion local coordination. For the diureasils with longer polymer chains, energy transfer occurs as the Eu3+ coordination involves the carbonyl-type oxygen atoms of the urea bridges, which are located near the hybrid's host emitting centers. on the contrary, in the U(600)-based diureasils, the Eu3+ ions are coordinated to the polymer chains, and therefore, the distance between the hybrid's emitting centers and the metal ions is large enough to allow efficient energy-transfer mechanisms.
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The luminescence properties of solid hydrated lanthanide squarates (Ln2(C4O4)3(H2O) x; x = 8 or 13;Ln3+ = Gd, La, Eu, Tb, Pr) are reported for temperatures down to 4.2K. The luminescence of the squarate group is observed for the Gd3+ and La3+ compounds at low temperatures (below 150K). The Pr3+ compound does not show any emission at all, not even at 4.2K. This is ascribed to the quenching of the Pr3+ emission by multiphonon relaxation and/or concentration quenching. The quantum efficiencies of the 5D0 emission of Eu3+ and of the 5D4 emission of Tb3+ in these squarate complexes are strikingly different. Whereas the Tb3+ emission shows a temperature independent quantum efficiency of 50% upon ligand excitation, the Eu3+ emission is strongly quenched, showing a temperature dependent quantum efficiency of 0.8% at 4.2K upon ligand excitation. This quenching is ascribed to the low energy position of the charge-transfer state of Eu3+ in these compounds.
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In this thesis we focussed on the characterization of the reaction center (RC) protein purified from the photosynthetic bacterium Rhodobacter sphaeroides. In particular, we discussed the effects of native and artificial environment on the light-induced electron transfer processes. The native environment consist of the inner antenna LH1 complex that copurifies with the RC forming the so called core complex, and the lipid phase tightly associated with it. In parallel, we analyzed the role of saccharidic glassy matrices on the interplay between electron transfer processes and internal protein dynamics. As a different artificial matrix, we incorporated the RC protein in a layer-by-layer structure with a twofold aim: to check the behaviour of the protein in such an unusual environment and to test the response of the system to herbicides. By examining the RC in its native environment, we found that the light-induced charge separated state P+QB - is markedly stabilized (by about 40 meV) in the core complex as compared to the RC-only system over a physiological pH range. We also verified that, as compared to the average composition of the membrane, the core complex copurifies with a tightly bound lipid complement of about 90 phospholipid molecules per RC, which is strongly enriched in cardiolipin. In parallel, a large ubiquinone pool was found in association with the core complex, giving rise to a quinone concentration about ten times larger than the average one in the membrane. Moreover, this quinone pool is fully functional, i.e. it is promptly available at the QB site during multiple turnover excitation of the RC. The latter two observations suggest important heterogeneities and anisotropies in the native membranes which can in principle account for the stabilization of the charge separated state in the core complex. The thermodynamic and kinetic parameters obtained in the RC-LH1 complex are very close to those measured in intact membranes, indicating that the electron transfer properties of the RC in vivo are essentially determined by its local environment. The studies performed by incorporating the RC into saccharidic matrices evidenced the relevance of solvent-protein interactions and dynamical coupling in determining the kinetics of electron transfer processes. The usual approach when studying the interplay between internal motions and protein function consists in freezing the degrees of freedom of the protein at cryogenic temperature. We proved that the “trehalose approach” offers distinct advantages with respect to this traditional methodology. We showed, in fact, that the RC conformational dynamics, coupled to specific electron transfer processes, can be modulated by varying the hydration level of the trehalose matrix at room temperature, thus allowing to disentangle solvent from temperature effects. The comparison between different saccharidic matrices has revealed that the structural and dynamical protein-matrix coupling depends strongly upon the sugar. The analyses performed in RCs embedded in polyelectrolyte multilayers (PEM) structures have shown that the electron transfer from QA - to QB, a conformationally gated process extremely sensitive to the RC environment, can be strongly modulated by the hydration level of the matrix, confirming analogous results obtained for this electron transfer reaction in sugar matrices. We found that PEM-RCs are a very stable system, particularly suitable to study the thermodynamics and kinetics of herbicide binding to the QB site. These features make PEM-RC structures quite promising in the development of herbicide biosensors. The studies discussed in the present thesis have shown that, although the effects on electron transfer induced by the native and artificial environments tested are markedly different, they can be described on the basis of a common kinetic model which takes into account the static conformational heterogeneity of the RC and the interconversion between conformational substates. Interestingly, the same distribution of rate constants (i.e. a Gamma distribution function) can describe charge recombination processes in solutions of purified RC, in RC-LH1 complexes, in wet and dry RC-PEM structures and in glassy saccharidic matrices over a wide range of hydration levels. In conclusion, the results obtained for RCs in different physico-chemical environments emphasize the relevance of the structure/dynamics solvent/protein coupling in determining the energetics and the kinetics of electron transfer processes in a membrane protein complex.
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In dieser Dissertation wird die Ladungsträgergeneration und -rekombination in neuen polymeren Absorbermaterialien für organische Solarzellen untersucht. Das Verständnis dieser Prozesse ist wesentlich für die Entwicklung neuer photoaktiver Materialsysteme, die hohe Effizienzen erzielen und organische Solarzellen konkurrenzfähig im Bereich der erneuerbaren Energien machen. Experimentell verwendet diese Arbeit hauptsächlich die Methode der transienten Absorptionsspektroskopie, die sich für die Untersuchung photophysikalischer Prozesse auf einer Zeitskala von 100 fs bis 1 ms als sehr leistungsfähig erweist. Des Weiteren wird eine soft-modeling Methode vorgestellt, die es ermöglicht, photophysikalische Prozesse aus einer gemessenen transienten Absorptions-Datenmatrix zu bestimmen, wenn wenig a priori Kenntnisse der Reaktionskinetiken vorhanden sind. Drei unterschiedliche Donor:Akzeptor-Systeme werden untersucht; jedes dieser Systeme stellt eine andere Herangehensweise zur Optimierung der Materialien dar in Bezug auf Lichtabsorption über einen breiten Wellenlängenbereich, effiziente Ladungstrennung und schnellen Ladungstransport. Zuerst wird ein Terpolymer untersucht, das aus unterschiedlichen Einheiten für die Lichtabsorption und den Ladungstransport besteht. Es wird gezeigt, dass es möglich ist, den Fluss angeregter Zustände vom Chromophor auf die Transporteinheit zu leiten. Im zweiten Teil wird der Einfluss von Kristallinität auf die freie Ladungsträgergeneration mit einer Folge von ternären Mischungen, die unterschiedliche Anteile an amorphem und semi-kristallinem Polymer enthalten, untersucht. Dabei zeigt es sich, dass mit steigendem amorphen Polymeranteil sowohl der Anteil der geminalen Ladungsträgerrekombination erhöht als auch die nicht-geminale Rekombination schneller ist. Schlussendlich wird ein System untersucht, in dem sowohl Donor als auch Akzeptor Polymere sind, was zu verbesserten Absorptionseigenschaften führt. Die Rekombination von Ladungstransferzuständen auf der unter 100 ps Zeitskala stellt hier den hauptsächliche Verlustkanal dar, da freie Ladungsträger nur an Grenzflächen erzeugt werden können, an denen Donor und Akzeptor face-to-face zueinander orientiert sind. Darüber hinaus wird festgestellt, dass weitere 40-50% der Ladungsträger durch die Rekombination von Grenzflächenzuständen verloren gehen, die aus mobilen Ladungsträgern geminal gebildet werden.
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Die vorliegende Dissertation dient dazu, das Verständnis des Ladungstransportes in organischen Solarzellen zu vertiefen. Mit Hilfe von Computersimulationen wird die Bewegung von Ladungsträgern in organischen Materialien rekonstruiert, und zwar ausgehend von den quantenmechanischen Prozessen auf mikroskopischer Ebene bis hin zur makroskopischen Skala, wo Ladungsträgermobilitäten quantifizierbar werden. Auf Grundlage dieses skalenübergreifenden Ansatzes werden Beziehungen zwischen der chemischen Struktur organischer Moleküle und der makroskopischen Mobilität hergestellt (Struktur-Eigenschafts-Beziehungen), die zu der Optimierung photovoltaischer Wirkungsgrade beitragen. Das Simulationsmodell beinhaltet folgende drei Schlüsselkomponenten. Erstens eine Morphologie, d. h. ein atomistisch aufgelöstes Modell der molekularen Anordnung in dem untersuchten Material. Zweitens ein Hüpfmodell des Ladungstransportes, das Ladungswanderung als eine Abfolge von Ladungstransferreaktionen zwischen einzelnen Molekülen beschreibt. Drittens ein nichtadiabatisches Modell des Ladungstransfers, das Übergangsraten durch drei Parameter ausdrückt: Reorganisationsenergien, Lageenergien und Transferintegrale. Die Ladungstransport-Simulationen richten sich auf die Materialklasse der dicyanovinyl-substituierten Oligothiophene und umfassen Morphologien von Einkristallen, Dünnschichten sowie amorphen/smektischen Mesophasen. Ein allgemeiner Befund ist, dass die molekulare Architektur, bestehend aus einer Akzeptor-Donor-Akzeptor-Sequenz und einem flexiblen Oligomergerüst, eine erhebliche Variation molekularer Dipolmomente und damit der Lageenergien bewirkt. Diese energetische Unordnung ist ungewöhnlich hoch in den Kristallen und umso höher in den Mesophasen. Für die Einkristalle wird beobachtet, dass Kristallstrukturen mit ausgeprägter π-Stapelung und entsprechend großer Transferintegrale zu verhältnismäßig niedrigen Mobilitäten führen. Dieses Verhalten wird zurückgeführt auf die Ausbildung bevorzugter Transportrichtungen, die anfällig für energetische Störungen sind. Für die Dünnschichten bestätigt sich diese Argumentation und liefert ein mikroskopisches Verständnis für experimentelle Mobilitäten. In der Tat korrelieren die Simulationsergebnisse sowohl mit gemessenen Mobilitäten als auch mit photovoltaischen Wirkungsgraden. Für die amorphen/smektischen Systeme steigt die energetische Unordnung mit der Oligomerlänge, sie führt aber auch zu einer unerwarteten Mobilitätsabnahme in dem stärker geordneten smektischen Zustand. Als Ursache dafür erweist sich, dass die smektische Schichtung der räumlichen Korrelation der energetischen Unordnung entgegensteht.
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Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung der photophysikalischen Prozesse, die in Mischungen von Elektronendonoren mit Elektronenakzeptoren zur Anwendung in organischen Solarzellen auftreten. Als Elektronendonoren werden das Copolymer PBDTTT-C, das aus Benzodithiophen- und Thienothiophene-Einheiten besteht, und das kleine Molekül p-DTS(FBTTh2)2, welches Silizium-überbrücktes Dithiophen, sowie fluoriertes Benzothiadiazol und Dithiophen beinhaltet, verwendet. Als Elektronenakzeptor finden ein planares 3,4:9,10-Perylentetracarbonsäurediimid-(PDI)-Derivat und verschiedene Fullerenderivate Anwendung. PDI-Derivate gelten als vielversprechende Alternativen zu Fullerenen aufgrund der durch chemische Synthese abstimmbaren strukturellen, optischen und elektronischen Eigenschaften. Das gewichtigste Argument für PDI-Derivate ist deren Absorption im sichtbaren Bereich des Sonnenspektrums was den Photostrom verbessern kann. Fulleren-basierte Mischungen übertreffen jedoch für gewöhnlich die Effizienz von Donor-PDI-Mischungen.rnUm den Nachteil der PDI-basierten Mischungen im Vergleich zu den entsprechenden Fulleren-basierten Mischungen zu identifizieren, werden die verschiedenen Donor-Akzeptor-Kombinationen auf ihre optischen, elektronischen und strukturellen Eigenschaften untersucht. Zeitaufgelöste Spektroskopie, vor allem transiente Absorptionsspektroskopie (TA), wird zur Analyse der Ladungsgeneration angewendet und der Vergleich der Donor-PDI Mischfilme mit den Donor-Fulleren Mischfilmen zeigt, dass die Bildung von Ladungstransferzuständen einen der Hauptverlustkanäle darstellt.rnWeiterhin werden Mischungen aus PBDTTT-C und [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylesther (PC61BM) mittels TA-Spektroskopie auf einer Zeitskala von ps bis µs untersucht und es kann gezeigt werden, dass der Triplettzustand des Polymers über die nicht-geminale Rekombination freier Ladungen auf einer sub-ns Zeitskala bevölkert wird. Hochentwickelte Methoden zur Datenanalyse, wie multivariate curve resolution (MCR), werden angewendet um überlagernde Datensignale zu trennen. Zusätzlich kann die Regeneration von Ladungsträgern durch Triplett-Triplett-Annihilation auf einer ns-µs Zeitskala gezeigt werden. Darüber hinaus wird der Einfluss des Lösungsmitteladditivs 1,8-Diiodooctan (DIO) auf die Leistungsfähigkeit von p-DTS(FBTTh2)2:PDI Solarzellen untersucht. Die Erkenntnisse von morphologischen und photophysikalischen Experimenten werden kombiniert, um die strukturellen Eigenschaften und die Photophysik mit den relevanten Kenngrößen des Bauteils in Verbindung zu setzen. Zeitaufgelöste Photolumineszenzmessungen (time-resolved photoluminescence, TRPL) zeigen, dass der Einsatz von DIO zu einer geringeren Reduzierung der Photolumineszenz führt, was auf eine größere Phasentrennung zurückgeführt werden kann. Außerdem kann mittels TA Spektroskopie gezeigt werden, dass die Verwendung von DIO zu einer verbesserten Kristallinität der aktiven Schicht führt und die Generation freier Ladungen fördert. Zur genauen Analyse des Signalzerfalls wird ein Modell angewendet, das den gleichzeitigen Zerfall gebundener CT-Zustände und freier Ladungen berücksichtigt und optimierte Donor-Akzeptor-Mischungen zeigen einen größeren Anteil an nicht-geminaler Rekombination freier Ladungsträger.rnIn einer weiteren Fallstudie wird der Einfluss des Fullerenderivats, namentlich IC60BA und PC71BM, auf die Leistungsfähigkeit und Photophysik der Solarzellen untersucht. Eine Kombination aus einer Untersuchung der Struktur des Dünnfilms sowie zeitaufgelöster Spektroskopie ergibt, dass Mischungen, die ICBA als Elektronenakzeptor verwenden, eine schlechtere Trennung von Ladungstransferzuständen zeigen und unter einer stärkeren geminalen Rekombination im Vergleich zu PCBM-basierten Mischungen leiden. Dies kann auf die kleinere Triebkraft zur Ladungstrennung sowie auf die höhere Unordnung der ICBA-basierten Mischungen, die die Ladungstrennung hemmen, zurückgeführt werden. Außerdem wird der Einfluss reiner Fullerendomänen auf die Funktionsfähigkeit organischer Solarzellen, die aus Mischungen des Thienothienophen-basierenden Polymers pBTTT-C14 und PC61BM bestehen, untersucht. Aus diesem Grund wird die Photophysik von Filmen mit einem Donor-Akzeptor-Mischungsverhältnis von 1:1 sowie 1:4 verglichen. Während 1:1-Mischungen lediglich eine co-kristalline Phase, in der Fullerene zwischen den Seitenketten von pBTTT interkalieren, zeigen, resultiert der Überschuss an Fulleren in den 1:4-Proben in der Ausbildung reiner Fullerendomänen zusätzlich zu der co kristallinen Phase. Transiente Absorptionsspektroskopie verdeutlicht, dass Ladungstransferzustände in 1:1-Mischungen hauptsächlich über geminale Rekombination zerfallen, während in 1:4 Mischungen ein beträchtlicher Anteil an Ladungen ihre wechselseitige Coulombanziehung überwinden und freie Ladungsträger bilden kann, die schließlich nicht-geminal rekombinieren.
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Electron transfer cross sections have been measured for reactions of Ar2+ ions with Ar, N2, O2, CO2, CH4 and C2H6. Time-of-flight techniques have been used to measure both fast neutral Ar0 and fast Ar+ products from single- and double-electron transfer processes involving Ar2+ ions with 4.0 to 7.0 keV impact energies. Incident Ar2+ ions have produced by controlled electron impact ionisation of argon atoms. Reactions have been examined as a function of ionising electron energy and cross sections determined for ground state Ar2+(3P) ions. Charge transfer cross sections have been determined to be in the range of 3*10-16 cm2 for the systems examined. Double-electron transfer cross sections are the same order of magnitude as those measured for the corresponding single-electron transfer reactions. The state distribution of the reactant ion beam has been estimated and electron transfer cross sections obtained for single- and double-electron transfer reactions of metastable Ar2+ions. The magnitudes of electron transfer cross sections in individual systems are similar for both ground and metastable state Ar2+ reactions.
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The photo-Fenton process (Fe(2+)/Fe(3+), H(2)O(2), UV light) is one of the most efficient and advanced oxidation processes for the mineralization of the organic pollutants of industrial effluents and wastewater. The overall rate of the photo-Fenton process is controlled by the rate of the photolytic step that converts Fe(3+) back to Fe(2+). In this paper, the effect of sulfate or chloride ions on the net yield of Fe(2+) during the photolysis of Fe(3+) has been investigated in aqueous solution at pH 3.0 and 1.0 in the absence of hydrogen peroxide. A kinetic model based on the principal reactions that occur in the system fits the data for formation of Fe(2+) satisfactorily. Both experimental data and model prediction show that the availability of Fe(2+) produced by photolysis of Fe(3+) is inhibited much more in the presence of sulfate ion than in the presence of chloride ion as a function of the irradiation time at pH 3.0.
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The concept of constitutional dynamic chemistry (CDC) based on the control of non-covalent interactions in supramolecular structures is promising for having a large impact on nanoscience and nanotechnology if adequate nanoscale manipulation methods are used. In this study, we demonstrate that the layer-by-layer (LbL) technique may be used to produce electroactive electrodes with ITO coated by tetrasulfonated nickel phthalocyanine (NiTsPc) alternated with poly(allylamine hydrochloride) (PAH) incorporating gold nanoparticles (AuNP), in which synergy has been achieved in the interaction between the nanoparticles and NiTsPc. The catalytic activity toward hydrogen peroxide (H(2)O(2)) in multilayer films was investigated using cyclic voltammetry, where oxidation of H(2)O(2) led to increased currents in the PAH-AuNP/NiTsPc films for the electrochemical processes associated with the phthalocyanine ring and nickel at 0.52 and 0.81 V vs. SCE, respectively, while for PAH/NiTsPc films (without AuNP) only the first redox process was affected. In control experiments we found out that the catalytic activity was not solely due to the presence of AuNP, but rather to the nanoparticles inducing NiTsPc supramolecular structures that favored access to their redox sites, thus yielding strong charge transfer. The combined effects of NiTsPc and AuNP, which could only be observed in nanostructured LbL films, point to another avenue to pursue within the CDC paradigm.
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Anthocyanins, the major red, purple, and blue pigments of plants, absorb visible as well as UV radiation and are effective antioxidants and scavengers of active oxygen species. In plant leaves, one of the functional roles proposed for anthocyanins is protection of the photosynthetic apparatus from the effects of excess incident visible or UV-B radiation and photooxidative stress. In essence, a photoprotective role requires that the excited singlet states of both complexed and uncomplexed anthocyanins deactivate back to the ground state so quickly that intersystem crossing, photoreaction, and diffusion-controlled quenching processes cannot compete. Studies of the photochemical properties of synthetic analogs of anthocyanins and of several naturally occurring anthocyanins show that this is indeed the case, uncomplexed anthocyanins decaying back to the ground state via fast (subnanosecond) excited-state proton transfer (ESPT) and anthocyanin-copigment complexes by fast (sub-picosecond) charge-transfer-mediated internal conversion.
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The polymetallic [Ru(3)O(CH(3)COO)(6)(py)(2)(BPE)Ru( bpy)(2)Cl](PF(6))(2) complex (bpy = 2,2`-bipyridine, BPE = trans- 1,2-bis(4-pyridil) ethylene and py = pyridine) was assembled by the combination of an electroactive [Ru(3)O] moiety with a [ Ru( bpy) 2( BPE) Cl] photoactive centre, and its structure was determined using positive ion electrospray (ESI-MS) and tandem mass (ESI-MS/MS) spectrometry. The [Ru(3)O(CH(3)COO)(6)(py)(2)(BPE)Ru(bpy)(2)Cl] (2+) doubly charged ion of m/z 732 was mass-selected and subject to 15 eV collision-induced dissociation, leading to a specific dissociation pattern, diagnostic of the complex structure. The electronic spectra display broad bands at 409, 491 and 692 nm ascribed to the [Ru(bpy)(2)(BPE)] charge-transfer bands and to the [Ru(3)O] internal cluster transitions. The cyclic voltammetry shows five reversible waves at - 1.07 V, 0.13 V, 1.17 V, 2.91 V and - 1.29 V (vs SHE) assigned to the [Ru(3)O](-1/0/+ 1/+ 2/+3) and to the bpy (0/-1) redox processes; also a wave is observed at 0.96 V, assigned to the Ru (+2/+ 3) pair. Despite the conjugated BPE bridge, the electrochemical and spectroelectrochemical results indicate only a weak coupling through the pi-system, and preliminary photophysical essays showed the compound decomposes under visible light irradiation.
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Journal of Electroanalytical Chemistry 541 (2003) 153-162
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Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Física